ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUẤN SỰ
Khoa Hàng không Vũ trụ
---------------*-------------

Hoàng Hải Huy
Lê Thế Trung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN
TỬ


HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUẤN SỰ
Khoa Hàng không Vũ trụ
---------------*-------------

Hoàng Hải Huy
Lê Thế Trung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài: “Điều khiển vị trí động cơ DC servo”

Giáo viên Hướng dẫn: Hoàng Quang Chính
Cấp bậc: Trung tá
Đơn vị: Bộ môn Rôbốt đặc biệt và Cơ điện tử

2


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Vai trò và ý nghĩa của bài toán, khả năng ứng dụng trong ngành CĐT.
(4)
1.2. Mục đích và những yêu cầu của đồ án.
( 5)
1.3 Phương pháp nghiên cứu và thực hiện đồ án.
(5)
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN DC VÀ ỨNG DỤNG
2.1. cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.
(6)
2.1.1 Cấu tạo.
(6)
2.1.2. Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều.
(7)
2.1.3. Nguyên lý hoạt động.
(8)
2.2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều
(9)
2.2.1 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều
2.2.2.Phương pháp điều khiển vị trí động cơ một chiều
2.3.Ứng dụng của động cơ điện một chiều
2.4.Encoder xung quang tương đối

(9)
(11)
(12)
(13)

2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của encoder tương đối
(13)

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC PHẦN TỬ CÔNG
SUẤT
3.1. Tổng quan về AVR

(17)

3.1.1.Giới thiệu về vi điều khiển

(17)

3.1.2.Các bộ vi điều khiển AVR
3.1.3.Tổng quan về Atmega16
3.2. Phần tử công suất

(19)
(20)
(23)

3.2.1. IC nguồn LM2576 5V và 12 V
(23)
3.2.2. Modul điều khiển động cơ L298
(26)
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO
4.1. Xây dựng bộ điều khiển PID điều khiển động cơ DC servo
(29)
4.1.1. Xây dựng mô hình toán học động cơ một chiều.
(29)
4.1.2. Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển vị trí động cơ.
(30)
4.2.2. Chương trình điều khiển động cơ.

(32)
Kết luận và hướng phất triển đồ án
(35)
3


CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.Vai trò và ý nghĩa của bài toán. Khả năng ứng dụng trong ngành CĐT
Trong thực tế ngày nay, động cơ điện một chiều được ứng dụng rất nhiều các
lĩnh vực của đời sống và khoa học như : trong các dây chuyền sản xuất, xe máy, xe
điện, hàng không vũ trụ,… Bài toán điều khiển vị trí động cơ một chiều là bài toán
cơ bản, điển hình trong ngành cơ điện tử.Phương pháp điều khiển vị trí được sử
dụng rộng rãi. Chúng ta có thể bắt gặp trong rất nhiều các máy công cụ chính xác
như: máy phay, máy tiện CNC,.... Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, điển hình
như trong điều khiển các tay máy robot trong các hệ thống sản xuất : robot gắp
phôi, hàn, khoan, lắp ráp, phun sơn...

Hình 1.1:Robot hàn

Hình 1.2:Máy phay CNC

1.2.Mục đích và những yêu cầu của đồ án
Những vấn đề cần giải quyết trong đề tài:
- Tìm hiểu về vi điều khiển.
- Tìm hiểu về động cơ điện một chiều DC servo.
- Thiết kế driver điều khiển vị trí.
4


- Lập trình điều khiển,mô phỏng.

- Liên kết giữa phần cứng và phần mềm.
1.3.Phương pháp nghiên cứu và thực hiện đồ án
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của đề tài, thiết kế mạch điều khiển vị trí, lập
trình gồm những nội dung sau:
Chương 1: Đặt vấn đề.
Chương 2: Tổng quan về động cơ DC servo và ứng dụng:
- Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động,các phương pháp điều khiển, ứng
dụng của động cơ điện DC servo.
Chương 3: Tổng quan về vi điều khiển và các phần tử công suất:
- Trình bày tổng quan về họ vi điều khiển AVR .
- Trình bày một số phần tử công suất thường dùng để thiết kế mạch công suất.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển vị trí đông cơ DC servo:
- Thiết kế mạch điều khiển vị trí động cơ DC servo
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển PID cho bài toán điều khiển vị trí động cơ.
- Sử dụng mạch công suất đã thiết kế kết hợp với bộ điều khiển PID, phương
pháp điều khiển động cơ DC theo vị trí.
- Thử nghiệm.
Chương 5: Thực hiện điều khiển động cơ:
- Xây dựng mô hình toán học của động cơ DC.
- Thành lập sơ đồ thuật toán điều khiển.
- Lập trình điều khiển động cơ.
5


 Phạm vi nghiên cứu :
 Thiết bị điều khiển : mạch học tập atmega16
 Động cơ encoder 100 xung
 Mạch công suất – driver điều khiển vị trí
 Chuẩn giao tiếp với máy tính RS232
 Phần mềm lập trình: CodeVisionAVR V2.05.0

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ DC-SERVO VÀ
ỨNG DỤNG
2.1. Cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
2.1.1. Cấu tạo

Hình 2. 1:Động cơ một chiều
Động cơ một chiều gồm hai phần chính : Stato và Rôto.Ngoài ra, còn có các bộ
phận như: cổ góp, chổi than, trục, ổ bi, nắp, vỏ và encoder.Trong động cơ DCservo thì đĩa encoder lắp trên trục động cơ, một mạch cảm biến đếm xung encoder
phản hồi về vi điều khiển(VĐK).

6


Hình 2.2 :Động cơ DC-servo thực tế
a. Stato
Stato là phần kích từ động cơ – phần cảm, là bộ phận sinh ra từ trường. Gồm mạch
từ và dây cuốn kích từ.
- Mạch từ làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc).
- Dây cuốn kích từ được làm bằng dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật
được sơn cách điện và cuốn thành từng cuộn, các cuộn này được mắc nối
tiếp với nhau.
b. Rôto
Rôto là phần sinh ra suất điện động - phần ứng. Gồm lõi thép, dây cuốn phần ứng,
cổ góp và chổi than.
- Lõi thép hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau. Các lá
thép có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây cuốn phần ứng.
- Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây ghép lại với nhau theo một quy luật
nhất định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây, các đầu dây của bối dây được
nối với các phiến đồng gọi là phiến góp.

7


- Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có hình dạng trụ,
được gắn ở đầu trục rôto
- Chổi than làm bằng than graphit, các chổi than được tỳ chặt lên cổ góp nhờ
lò xo.
2.1.2.Phân loại, ưu,nhược điểm của động cơ điện một chiều
a. Phân loại
Khi xem xét động cơ điện một chiều phân loại theo cách kích thích từ các động
cơ.Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung
cấp từ hai nguồn riêng rẽ.
- Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song
song với phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp
với phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn
mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
b. Ưu, nhược điểm của động cơ điện một chiều
- Ưu điểm:
+ Điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải.
+ Có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn
giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.Còn động cơ không đồng bộ không thể
đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm
(như bộ biến tần....) rất đắt tiền.
- Nhược điểm:
8

So với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì
giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp
phức tạp hơn.
2.1.3.Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh
dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều
của lực điện từ được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.

Hình 2.3: Pha 1
Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động
quay của rotor.

Hình 2.4: Pha 2 (Rotor tiếp tục quay)

9


Hình 2.5: Pha 3
Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng
dấu, trở lại pha 1.

2.2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều
- Điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
- Điều khiển vị trí động cơ một chiều.
2.2.1 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều
- Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
- Phương pháp thay đổi từ thông Ф
- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
- Phương pháp điều chế xung PWM

a. Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
Nguyên lý điều khiển : Cho U = Uđm , Ф = Фđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch
phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
- Đặc điểm của phương pháp :
Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ
càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.Phương pháp này
10


chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép
thay đổi tốc độ về phía giảm).Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì
tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực
tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.
- Đánh giá các chỉ tiêu:
Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy
cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh
D = 𝜔max/𝜔min càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 :
1 Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn,
chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
b. Phương pháp thay đổi từ thông Ф
- Nguyên lý điều khiển :
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng
vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ
cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì
ta phải giảm mômen theo cùng tỉ lệ.
- Đặc điểm của phương pháp:
Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.Phương pháp này chỉ điều
khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm
thay đổi dòng điện ngắn mạch.Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ

thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi.
- Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển:

11


Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên.
Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn trong dải
điều chỉnh D = 3 : 1. Vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ
nên ta có thể điều khiển liên tục với Ф ≈ 1.
Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và
kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ (1 ÷
10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).Đây là phương pháp gần như là
duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ
điều khiển.
c. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng :
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như
máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết
bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một
chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì nguồn có công
suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện
cảm Lb khác không. Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi
1:10 hoặc hơn nữa.
Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng
không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển
Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để.
+ Nhận xét : Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện
một chiều nhưng chỉ có phương pháp thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của
động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng
không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao.

12


Trong nghiên cứu và thực hiện đề tài này em sử dụng phương pháp điều chế
xung PWM, là một phương pháp phổ biến trong điều khiển động cơ DC.
d. Phương pháp điều chế xung PWM
Phương pháp điều chế PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều
chỉnh điện áp ra hay điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông
dẫn đếm sự thay đổi điện áp ra.
Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải
và một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện
nhiệm vụ đó trong mạch các van bán dẫn.
PWM được sử dụng phổ biến trong động cơ để điều khiển động cơ như là
nhanh, chậm, thuận, nghịch và ổn định tốc độ cho nó, được ứng dụng nhiều trong
điều khiển động cơ 1 chiều.
2.2.2.Phương pháp điều khiển vị trí động cơ một chiều
Nguyên tắc xây dụng hệ điều chỉnh vị trí:
Trong hệ điều khiển vị trí, đại lượng điều khiển (lượng đặt φd) có ý nghĩa quan
trọng quyết định cấu trúc hệ điều khiển.Thông thường, lượng điều khiển φd là một
hàm của thời gian, có thể là hàm nhảy cấp, hàm tuyến tính hay tuyến tính từng
đoạn theo thời gian, hàm parapol và hàm điều hòa.
Tùy thuộc vào lượng điều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơ
cấu chuyển dịch hoặc hệ thống điều khiển vị trí theo chế độ bám (hệ tùy động).
Trong hệ điều khiển truyền động, vị trí chuyển dịch trong các chỉ tiêu chất
lượng chung người ta quan tâm nhiều đến độ tác động nhanh của hệ. Điều này liên
quan đến giản đồ tối ưu về tốc độ ω(t), gia tốc ε(t) và vị trí φ(t). Để xây dựng hệ
13


điều khiển, ta dựa trên quy luật tối ưu tác động nhanh truyền động điện trên nghiên

cứu quỹ đạo pha chuyển động.
2.3.Ứng dụng của động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều giữ một vị trí nhất định như trong công nghiệp giao
thông vận tải, trong các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi
rộng:
- Trong đời sống hiện nay : Động cơ điện dùng trong quạt điện, máy sấy tóc, máy
say sinh tố, …
- Trong nông nghiệp : Động cơ điện dùng trong máy bơm, máy tuốt lúa, máy xay
xát, …
- Trong giao thông vận tải : Động cơ điện dùng trong xe đạp điện, xe máy điện, ô tô
điện, tàu điện, …
- Trong công nghiệp : Động cơ điện dùng trong các máy công nghiệp, máy tiện,
máy phay, các máy CNC hiện đại, trong các cánh tay robot, máy cán thép, máy
công cụ lớn, đầu máy điện, ... .
Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng
cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ
góp phức tạp hơn ... nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn
không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
2.4.Encoder xung quang tương đối
Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải
đọc được góc quay của motor. Một số phương pháp có thể được dùng để xác định

14


góc quay của motor bao gồm đo vận tốc quay, dùng biến trở xoay, hoặc dùng
encoder.Trong đề tài này em dùng encoder 100 xung.
2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của encoder tương đối
a. Cấu tạo
Encoder xung quang chỉ có một đường tròn với các rãnh bằng nhau. Vị trí

được xác định bằng việc đếm số xung của các rãnh mà nó đi qua cảm biến quang,
mà mỗi rãnh ứng với một góc cho trước. Hệ thống này yêu cầu một điểm chuẩn,
điểm chuẩn này được xác định bởi cảm biến quang thứ hai được đặt đường phía
trong hoặc đơn giản chỉ là một điểm dừng cơ khí hay chuyển mạch giới hạn.

Hình 2.6: Cấu tạo encoder tương đối
Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I
(Index). Trong Hình 2.6, ta thấy một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp
phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh I của encoder. Cứ mỗi lần motor
quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ
nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên
cảm biến. Như thế, kênh I xuất hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor. Bên
ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho
các rãnh này. Đây là kênh A của encoder, hoạt động của kênh A cũng tương tự
15


kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên
kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder.
Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh
nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ,
ta phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ
chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Không được vẽ trong Hình
2.6, tuy nhiên trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng
đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của
encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 .
Bằng cách phối hợp kênh A và B,ta sẽ biết chiều quay của động cơ.
b.Nguyên lý làm việc của encoder tương đối
Một cảm biến quang đơn không thể truyền đạt được thông tin về chiều quay
của đĩa.Vì vậy,một hệ ta sử dụng hai cảm biến quang. Trên Hình 2.7 minh họa hai

cảm biến V1 và V2 được bố trí cùng trên một đường và lệch với nhau. Giả sử V1
ban đầu tắt (OFF), còn V2 bật (ON). Tưởng tượng rằng đĩa bắt đầu quay ngược
chiều kim đồng hồ (CCW - counterclockwise). Điều đầu tiên mà nó xảy ra là V1 sẽ
ON hoàn toàn, trong khi V2 vẫn giữ ON. Sau khi quay nhiều hơn, V2 sẽ OFF, và
sau một chút V1 cũng sẽ OFF. Hình dưới phần b chỉ ra dạng sóng của V1 và V2.

(a) Hai c¶m biÕn quang
®-îc s¾p xÕp ®Ó x¸c
®Þnh chiÒu quay

(b) D¹ng sãng khi quay
theo chiÒu ng-îc
chiÒu kim ®ång hå

(c) D¹ng sãng khi quay
theo chiÒu chiÒu kim
®ång hå

Hình 2.7: Bố trí cảm biến V1 và V2
16


Phần cứng của encoder xung đơn giản hơn so với encoder tuyệt đối.Vì lý đơn
giản này là chúng ta không nhận được thông tin về vị trí trực tiếp dưới dạng mã nhị
phân từ V1 và V2.Thay vào đó, một mạch giải mã phải được đưa vào để chuyển đổi
tín hiệu từ các cảm biến quang thành các từ nhị phân.Thực tế, mạch này có hai
phần: Phần thứ nhất xác định thông tin về chiều quay, và phần thứ hai là một bộ
đếm tăng - giảm (an up-down counter) để đếm số rãnh. Sơ đồ khối của mạch này
được trình bày trên Hình 2.7. Nhìn trên sơ đồ chúng ta thấy V1 và V2 được chuyển
đổi thành hai tín hiệu mới ký hiệu là “count-down” và “count-up”.

Hình 2.7: Sơ đồ khối của mạch giải mã

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC PHẦN
TỬ CÔNG SUẤT
3.1. TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN AVR
3.1.1.Giới thiệu về vi điều khiển
Khái niệm vi điều khiển (microcontroller – MC) đã khá quen thuộc với các
sinh viên CNTT, điện tử, điều khiển tự động,Cơ điện tử… Nó là một trong những
IC thích hợp nhất để thay thế các IC số trong việc thiết kế mạch logic. Ngày nay đã
có những MC tích hợp đủ tất cả các chức năng của mạch logic. Nói như vậy không
có nghĩa là các IC số cũng như các IC mạch số lập trình được khác như PLC…
không cần dùng nữa. MC cũng có những hạn chế mà rõ ràng nhất là tốc độ chậm
hơn các mạch logic… MC cũng là một máy tính – máy tính nhúng vì nó có đầy đủ
17


chức năng của một máy tính. Có CPU, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, có I/O
và các bus trao đổi dữ liệu. Cần phân biệt khái niệm MC với khái niệm vi xử lý
(microprocessor – MP) như 8088 chẳng hạn. MP chỉ là CPU mà không có các
thành phần khác như bộ nhớ I/O, bộ nhớ. Muốn sử dụng MP cần thêm các chức
năng này, lúc này người ta gọi nó là hệ vi xử lý (microprocessor system). Do đặc
điểm này nên nếu để lựa chọn giữa MC và MP trong một mạch điện tử nào đó thì
tất nhiên người ta sẽ chọn MC vì nó sẽ rẻ tiền hơn nhiều do đã tích hợp các chức
năng khác vào trong chip. Vậy để một vi điều khiển chạy được thì cần những điều
kiện gì :

Thứ nhất là nguồn cấp.Nguồn cấp là cái đầu tiên, cơ bản nhất trong các mạch
điện tử.Không có nguồn thì không thể gọi là 1 mạch điện được. Nguồn cấp cho vi
điều khiển là nguồn 1 chiều.

Thứ hai là mạch dao động.Giả sử khi lập trình cho con AVR : đến thời điểm
A làm 1 công việc gì đó, thế thì nó lấy cái gì để xác định được thời điểm nào là thời
điểm A ? Đó chính là mạch dao động. Ví dụ như mọi người đều thống nhất vào một
giờ chuẩn để làm việc. Cả hệ thống vi điều khiển cũng vậy, cả hệ thống khi đó đều
lấy xung nhịp clock – xung nhịp mạch dao động làm xung nhịp chuẩn để hoạt
động.
Thứ ba là ngoại vi.Ngoại vi ở đây là các thiết bị để giao tiếp với vi điều
khiển để thực hiện 1 nhiệm vụ nào đó mà vi điều khiển đưa ra. Ví dụ như muốn
18


điều khiển động cơ 1 chiều, nhưng vì vi điều khiển chỉ đưa ra các mức điện áp 05V, và dòng điều khiển cỡ mấy chục mA, với nguồn cấp này thì ko thể nối trực tiếp
động cơ vào vi điều khiển để điều khiển, mà phải qua 1 thiết bị khác gọi là ngoại
vi, chính xác hơn ở đây là driver, người ta dùng driver để có thể điều khiển được
các dòng điện lớn từ các nguồn điện nhỏ. Các bàn phím, công tắc… là các ngoại vi.
Thứ 4 là chương trình.Ở đây là file .hex để nạp cho vi điều khiển, chương
trình chính là thuật toán triển khai thành các câu lệnh rồi biên dịch thành mã hex để
nạp vào vi điều khiển.
Các công cụ để học AVR :
- Ngôn ngữ lập trình : C, ASM…
- Phần mềm lập trình : IAR, CodeVisionAVR…
- Mạch nạp : STK200/300/500, Burn-E…
- Mạch phát triển : Board trắng, phần mềm mô phỏng, kit…
3.1.2.Các bộ vi điều khiển AVR
AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất. AVR là chip vi điều khiển
8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC (Reduced Instruction Set
Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí. So với các
chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính
ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng.
Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng

AVR, thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các khối thạch
anh).Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần
vài điện trở là có thể làm được. một số AVR còn hỗ trợ lập trình on – chip bằng
bootloader không cần mạch nạp… Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR
được thiết kế tương thích C. Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application
note…rất lớn trên internet. Hầu hết các chip AVR có những tính năng sau:
19


Giao diện SPI đồng bộ.
Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được.
Giao tiếp I2C.
Bộ biến đổi ADC 10 bit.
Các kênh băm xung PWM.
Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by..vv.
Một bộ định thời Watchdog.
3 bộ Timer/Counter 8 bit.
1 bộ Timer/Counter 16 bit.
1 bộ so sánh analog.
Bộ nhớ EEPROM.
Giao tiếp USART..vv.
3.1.3.Tổng quan về Atmega16
a.Tính năng
Atmelga16 có đầy đủ tính năng của họ AVR, so với các loại khác thì giá thành
là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điều khiển.Tính
năng:
- Hiệu xuất cao, là loại vi điều khiển AVR 8 bit công suất thấp
- Cấu trúc lệnh đơn giản, thời gian thực thi lệnh như nhau
 130 lệnh thực thi trong vòng 1 chu kì chip
 32 thanh ghi 8 bit công dụng chung

 Hỗ trợ 16 MIPS khi hoạt động ở tần số 16 MHz
 Tích hợp bộ nhân 2 thực hiện trong 2 chu kì chip
- Bộ nhớ chương trình va dữ liệu không bay hơi ( nonvolatile )
 16k byte trong hệ thống flash khả trình có thể nạp và xóa 1000 lần
20


 Tùy chọn khởi động phần mã với các bit nhìn độc lập trong hệ thống bằng
cách vào chương trình khởi động chip
 512 byte EPROM có thể ghi và xóa 100000 lần
 1k byte ram nhớ tĩnh trong ( internal SRAM )
 Lập trình khóa cho phần mềm bảo mật
- Tính năng ngoại vi
 2 bộ định thời/bộ đếm ( timers/counters ) 8 bit với các chế độ đếm riêng rẽ
và kiểu so sánh
 1 bộ định thời/bộ đếm ( timer/counter ) 16 bit với với các chế độ đếm riêng
rẽ và kiểu so sánh và kiểu bắt sự kiện
 Bộ đếm thời gian thực với máy dao động riêng rẽ
 4 kênh băm xung PWM
 8 kênh ADC 10 bit
 Byte định hướng 2 đường giao tiếp nối tiếp
 Giao tiếp USART nối tiếp khả trinh
 Giao tiếp SPI nối tiếp chủ/tớ ( master/slave )
 Bộ định thời khả trình giám sát xung nhịp của chip 1 cách riêng rẽ
 Tích hợp bộ so sánh tín hiệu tương tự
- Giao tiếp JTAG
- Các tính năng đặt biệt của vi điều khiển
 Chế độ bật nguồn reset va phát hiện Brown-out khả trình
 Tích hợp mạch dao động RC bên trong
 Các ngắt trong và ngòai

 6 chế độ nghỉ : rảnh rỗi, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, nguồn thấp,
Standby va Extended Standby
- Vào/ra và các gói dữ liệu
 32 chân vào ra khả trình
21


 40-pin PDIP and 44-lead TQFP
- Điện áp sử dụng
 5V dùng với atmega16
- Tốc độ xung nhịp dung cho chip
 0 – 16 MHz cho atmega16
a. Sơ đồ chân và chức năng

Hình 3.1: Sơ đồ chân Atmega16.
Atmega16 gồm có 40 chân:
- Chân 1 đến 8 : Cổng nhập xuất dữ liệu song song B ( PORTB ) có thể được sử
dụng các chức năng đặc biệt
- Chân 9 : RESET để đưa chip về trạng thái ban đầu
- Chân 10 : VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển
- Chân 11,31 : GND .Hai chân này được nối với nhau và nối đất
- Chân 12,13 : 2 Chân XTAL2 va XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên ngoài vào
chip
- Chân 14 đến 21 : Cổng nhập xuất dữ liệu song song D ( PORTD ) nó có
thể được sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

22


- Chân 22 đến 29 : Cổng nhập xuất dữ liệu song song C ( PORTC ) có thể được sử

dụng các chức năng đặc biệt
- Chân 30 : AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC
- Chân 32 : AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC
- Chân 33 đến 40 : Cổng vào ra dữ liệu song song A ( PORTA ) ngoài ra, nó còn
được tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC ( analog to
digital converter).
b. Vào ra của vi điều khiển Atmega16
- PORTA ( PA7 … PA0 ) : là các chân số 33 đến 40. Là cổng vào ra song song
8 bit khi không dùng ở chế độ ADC. Bên trong có sẵn các điện trở kéo, khi PORTA
là output thì các điện trở kéo không hoạt động , khi PORTA là input thì các điện trở
kéo được kích hoạt.
- PORTB ( PB7 ... PB0 ) : là các chân số 1 đến 8. Nó tương tự như PORTA
khi sử dụng vào ra song song. Ngoài ra, các chân của PORTB còn có các chức
năng đặc biệt sẽ được nhắc đến sau.
- PORTC ( PC7 ... PC0 ) : là các chân 22 đến 30. Cũng giống PORTA và
PORTB khi là cổng vào ra song song. Nếu giao tiếp JTAG được bật, các trở treo ở
các chân PC5(TDI), PC3(TMS), PC2(TCK) sẽ hoạt động khi sự kiện reset xảy ra.
Chức năng giao tiếp JTAG và 1 số chức năng đặc biệt sẽ được nhắc đến sau.
- PORTD ( PD7 ... PD0 ) : là các chân 13 đến 21. Cũng là 1 cổng vào ra song
song giống các PORT khác, ngoài ra, nó còn có 1 số tính năng đặc biệt sẽ được
nhắc đến sau.
c. Mạch cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển Atmega16

Hình 3.2: Mạch cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển Atmega16
23


Tuy nhiên, trong đồ án này em sử dụng Adapter 24V-1A để cấp nguồn nuôi cho vi
điều khiển Atmega16
b. Mạch cấp dao động ngoài cho vi điều khiển dùng thạch anh

Hình 3.3: Mạch cấp dao động ngoài cho vi điều khiển dùng thạch anh.

c. Mạch nạp avr910 usb

Hình 3.4: Mạch nạp avr910 usb
3.2. Phần tử công suất.
3.2.1. IC nguồn LM2576 5V và 12 V
LM2576 là loại IC nguồn switching rất thông dụng trên thị trường và có khả
năng hoạt động được với điện áp vào lên tới 40V (loại thông thường) hoặc tới 57V
(loại LM7526HV). Họ LM2576 có nhiều loại với các mức điện áp đầu ra khác

24


nhau, như LM2576-3.3V, LM2576-5V, LM2576-12V, LM2576-15V, và còn loại
có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra là LM2576ADJ.
Ngoài ưu điểm về dải điện áp đầu vào so với các IC ổn định điện áp tuyến tính
thông thường, LM2576 còn có khả năng cho dòng đầu ra lớn hơn nhiều, lên tới 3A
dòng tải, là lựa chọn phù hợp cho nhiều ứng dụng cần ổn áp dòng lớn như motor
DC.
Nguyên tắc dựa theo nguồn xung,điện áp đầu ra được điều chỉnh liên tục để đảm
bảo cho điện áp đầu ra luôn giữa ở một giá trị cố định. Trong sơ đồ cấu
tạo,LM2576 gồm khối : So sánh, tạo dao động, công suất, quá dòng...
- Cấu tạo :
+ Chân 1 (Vin) : Chân nguồn đầu vào.
+ Chân 2 (Vout) : Chân điện áp đầu ra. Tùy thuộc dòng LM2576 mà chân này có
điện áp ra ổn định khác nhau.
+ Chân 3 (GND) : Chân nguồn chung.
+ Chân 4 (Feedback) : Chân đưa tín hiệu phản hồi từ đầu ra về đầu vào. Đưa vào bộ

so sánh để điều chỉnh ổn định điện áp.
+ Chân 5 (On/Off) : Chân đóng mở. Thường để GND.

Hình 3.5: IC nguồn LM2576
25